На первый взгляд коллоиды напоминают однородные жидкости, такие как молоко или плазма крови. Но на самом деле они состоят из взвешенных частиц. Некоторые коллоиды обладают замечательными свойствами: они могут затвердеть после удара и поглощать удары поверхности. Это свойство представляет интерес для многих приложений, от бронежилетов до защитных экранов для спутников.
Исследователи, финансируемые Швейцарским национальным научным фондом (SNSF), обнаружили, что принцип работы этих коллоидов может резко измениться в ответ на очень сильные воздействия. Ученые также разработали модель, которая упрощает понимание этих свойств. Работа опубликована в журнале PNAS.
Профессор SNSF Лучио Иса и его команда из ETH Zurich создают так называемые двумерные коллоидные кристаллы. Кристаллы состоят из гранул диоксида кремния диаметром несколько тысячных миллиметра в смеси воды и глицерина. В сотрудничестве с Кьярой Дарайо из Калифорнийского технологического института (США) и Стефаном Джобом из Парижского института механики исследователи изучили, как этот тип материала поглощает удары.
Команда заметила, что, когда коллоидные частицы имеют размер микрометра, сила и скорость удара меняют способ поглощения ударов. Ниже определенного порога вязкость жидкости является определяющим фактором, и классические модели очень хорошо описывают это явление. «Вы должны представить себе эти крошечные стеклянные шарики в их жидкости», — говорит Иса. «Во время удара шарики перемещаются и рассеивают жидкость вокруг себя, более или менее быстро, в зависимости от ее вязкости.
Движение жидкости — вот что заставляет все застыть».Когда удар особенно сильный, жидкость больше не течет между шариками, и они деформируются. «В этой ситуации физические свойства шариков сильно влияют на поглощение ударов, и обычные уравнения больше не применяются», — говорит Иса. Удар пулиДля того, чтобы частицы имели эффект, удар должен быть чрезвычайно интенсивным, например, вызванный огнестрельным оружием или микрометеоритами (объекты размером с песчинку, способные поражать спутники со скоростью десять километров в секунду).
«Было непросто создать в лаборатории удары такой интенсивности», — объясняет Иса. Для этого исследователи покрыли небольшой процент кварцевых шариков золотом.
Под воздействием импульсного лазерного излучения золото испарялось, создавая в коллоиде мощную ударную волну, сопоставимую с той, которая вызывалась, скажем, ударом микрометеорита. Сверхскоростные камеры записывали действие через линзу микроскопа.«Коллоиды, демонстрирующие такие свойства, действительно интересны для изучения», — говорит Иса. «Например, они могут даже использоваться для будущей разработки щитов, защищающих спутники от ударов микрометеоритов».
Это исследование проводилось в ETH Zurich, Supmeca — Institut superieur de mecanique de Paris и Caltech. Исследование финансировалось SNSF и проектом Metaudible под эгидой Французского национального исследовательского агентства (ANR) и Fondation de Recherche pour l’Aeronautique et l’Espace (FRAE).